Das Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat ein Material entwickelt, das ein Projektil effektiver als Stahl und Kevlar stoppen kann. Die Forscher gehen davon aus, dass das mit Nanoarchitektur hergestellte Material kugelsichere Schutzausrüstungen im Militär ersetzen kann. Ihre Arbeit haben sie im Magazin Nature Materials veröffentlicht.

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Mit einer 3D-Druck-Technologie im Nanomaßstab wurde am Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN) laut einer Pressemitteilung Material hergestellt, das ein Projektil effektiver als Kevlar und Stahl stoppen kann. Das ISN setzt sich aus der ETH Zürich, dem MIT, der Caltech und dem US Army Research Lab zusammen. Ihre Arbeit dazu haben sie im Fachjournal Nature Materials in der Arbeit mit dem Titel „Supersonic Impact Resilience of Nanoarchitected Carbon“ veröffentlicht.

Details zum Material

Das Material besteht aus winzigen Kohlenstoffstreben, die miteinander verbundene Tetrakaidekaeder – Strukturen mit 14 Flächen – bilden. Diese werden mit Zwei-Photonen-Lithographie hergestellt und ergeben ein Material, das dünner als ein einzelnes menschliches Haar ist.
Julia Greer, Materialwissenschaftlerin bei der Caltech, erklärt, dass die Erkenntnisse aus dieser Arbeit Konstruktionsprinzipien für ultraleichte schlagfeste Materialien liefern, die in effizienten Panzerungsmaterialien, Schutzbeschichtungen und explosionsbeständigen Schilden verwendet werden, welche für Anwendungen in Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen wünschenswert sind.

Die Struktur von Nanoarchitekturmaterialien wurde im Nanometerbereich entworfen und kann für jede erdenkliche 3D-Form genutzt werden. Das ISN-Team arbeitete daran, herauszufinden, wie das Material Hochgeschwindigkeitsstößen standhalten könnte. Das Material aus miteinander verbundenen Tetrakaidekaedern aus Kohlenstoffstreben wurde mit Zwei-Photonen-Lithographie angeordnet.

Nanostrukturiertes Material, Grafik von der Herstellung bis zu den Ergebnissen
Die Grundlage des nanostrukturierten Material bildet ein lichtempfindlicher Fotolack, der seine Form basierend auf der Belichtung der Laser während des Zwei-Photonen-Lithographieprozesses anpasst (im Bild: Grafik von der Herstellung bis zu den Ergebnissen)(Bild © MIT/Caltech).

Nanostrukturiertes Material

Die Grundlage des nanostrukturierten Material bildet ein lichtempfindlicher Fotolack, der seine Form basierend auf der Belichtung der Laser während des Zwei-Photonen-Lithographieprozesses anpasst. Ein eng fokussierter Laser wird in drei Dimensionen innerhalb des Fotolacks abgetastet und das Material verfestigt, bis die vollständige Struktur gedruckt ist. Bei extrem hohen Temperaturen werden die gedruckten Strukturen durch Brennen in einem Ofen pyrolysiert, um das Polymer in pyrolytischen Kohlenstoff umzuwandeln.

Es gibt zwei Varianten des Materials mit unterschiedlichen Dichten, die mit Mikropartikeln von 14 Mikrometern Durchmesser mit Geschwindigkeiten zwischen 40 und 1.100 Metern pro Sekunde bestrahlt wurden. Zum Vergleich: die Schallgeschwindigkeit beträgt 340 Meter pro Sekunde.

Kugel trifft auf Objekt
Das nanoarchitektonische Material übertraf Stahl um mehr als 100% und Kevlar-Verbundstoffe um mehr als 70% (im Bild: Kugel trifft auf Objekt)(Bild © MIT/Caltech).

100% stärker als Stahl und 70% stärker als Kevlar-Verbundstoffe

Das dichtere Material widerstand den Explosionen besser. Die Mikropartikel betteten sich in das Material ein und rissen nicht durch, wie das bei vollständig dichten Polymeren oder Kohlenstoffplatten gleicher Dicke der Fall wäre. Die Kohlenstoffstreben, die das Mikropartikel unmittelbar umgaben, zerknitterten, doch die Gesamtstruktur blieb intakt. Das nanoarchitektonische Material übertraf Stahl um mehr als 100% und Kevlar-Verbundstoffe um mehr als 70%.

Das ISN geht davon aus, dass das Material Kevlar und Stahl für Rüstungsmaterialien, explosionsbeständige Schilde und Schutzbeschichtungen der Streitkräfte ersetzen kann. Die Forscher geben an, dass das mit Nanoarchitektur hergestellte Material Kevlar vermutlich auch in kugelsicheren Schutzausrüstungen, die im Militär eingesetzt werden, ersetzen kann.

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